Вокруг Света - Журнал «Вокруг Света» № 11 за 2003 год

2•1030 кг.

Поскольку темной материи в 10 раз больше, чем видимой, то недоучтенными до последнего времени были около 1053 кг…

Как найти невидимок

Тайная связь.Убедиться в ее существовании может каждый. Для этого нужно попросить знакомого водителя проехать мимо вас как можно быстрее, при этом непрерывно гудя. Во время наибольшего сближения вы почувствуете резкую смену тона гудка – с высокого на низкий. Любая электричка, пролетающая мимо платформы, даст тот же эффект. Вывод же будет таков: частота воспринимаемых волн (в данном случае звуковых) зависит не только от внутренних свойств источника этих волн, но и от его скорости.

То же самое происходит со светом, который представляет собой электромагнитную волну. Если источник приближается к нам, то мы воспринимаем свет «более голубым», чем если бы источник покоился. Если же он удаляется – то «более красным». Чем больше скорость– тем больше эффект доплеровского сдвига. Исследуя спектры звезд, ученые определяют их скорости и не только судят о движении внутри галактики, но и анализируют перемещения галактик внутри скоплений. Например, если измерения показывают, что свет от одного края какой-либо галактики краснее, а от другого – голубее, то единственное разумное объяснение этому кроется во вращении галактики. При внимательном изучении вращения галактик была обнаружена одна странность: скорости движения звезд оказались слишком большими! При таких скоростях они давно должны были бы покинуть галактику, поскольку суммарная гравитационная сила всех звезд, как показывали расчеты, была бы не способна их удержать. По этой причине было выдвинуто предположение о существовании некоей скрытой массы, которая своим гравитационным полем помогала удерживать звезды от разлета. Причем зависимость скорости от расстояния до центра галактики, как правило, такова, что наличием одной массивной черной дыры в центре галактики ее объяснить нельзя.

Королевство кривых зеркал.Скрытая масса образует свои собственные темные облака-галактики, которые ничего другого не содержат. Как же можно доказать их существование?

В обычных галактиках ученым помогают звезды, своим поведением выдающие присутствие скрытой массы. Но что же делать, если звезды отсутствуют в интересующей исследователей области пространства? Тогда на помощь им приходит эффект микролинзирования (см. «Вокруг света» № 9, 2002 г.). Если скрытая масса создает гравитационное поле, то оно должно влиять на движение всех объектов, обладающих энергией, поэтому гравитационное поле скрытой массы изменяет траекторию движения света от далеких источников. Значит, галактики должны выглядеть несколько искаженными, как лицо человека в слегка кривом зеркале. Другим способом обнаружить компактные и невидимые объекты можно по хорошо изученному эффекту увеличения яркости звезд, обусловленному гравитационным линзированием.

Если некое несветящееся тело пересекает прямую линию между какой-либо звездой и Землей, то яркость звезды увеличивается. Конечно, все небесные тела движутся относительно друг друга, поэтому увеличение яркости – эффект кратковременный. Но уж если оно обнаружено, то совершенно очевидно, что это «дело рук» какого-то тяжелого несветящегося объекта. Методы гравитационного линзирования настолько усовершенствовались, что позволяют определять также и массу темного объекта. Уже имеются предварительные данные от нескольких научных групп о существовании объектов тяжелее Юпитера, но легче Солнца.

Современная наука настолько сложна, что бессистемные поиски «чего-то новенького» заведомо обречены на неудачу. Чтобы добиться успеха, нужно иметь хоть какое-то представление о том, что ищешь, необходима теоретическая модель, правильность которой проверяется экспериментально. Предполагаемых носителей скрытой массы не так уж и мало, но их можно разделить на две основные категории: астрономические объекты (MACHOs – Массивные Астрофизические Компактные Гало Объекты) и элементарные частицы (WIMPs – Слабо Взаимодействующие Массивные Частицы).

MACHOs – это действительно массивные объекты, состоящие из обычных элементарных частиц. WIMPs – это гипотетические частицы, которые практически не взаимодействуют с привычной нам материей. Астрономам близка идея MACHOs, в то время как физикам, занимающимся микромиром, больше нравится идея WIMPs, что естественно. Рассмотрим же более детально, что представляют собой эти два основных класса.

Разнообразие machos, или как увидеть черную кошку

Эти массивные объекты практически не должны светиться, в противном случае их бы давно увидели. Кандидатами на роль MACHOs являются черные дыры, нейтронные звезды, коричневые, или, более точно, темные, карлики (brown dwarfs) и, возможно, белые.

Черные дыры – вполне достойные претенденты. Их существование предсказывается теорией, а некоторые из них уже обнаружены. Но определенная осторожность все же необходима. Во-первых, они не должны быть очень массивными, иначе излучение от падающего на них вещества выдаст их с головой. Во-вторых, их должно быть много, чтобы суммарная масса была примерно в 10 раз больше суммарной массы звезд. И в-третьих, «маленьких» черных дыр с массой меньше, чем 10 12 кг, должно быть не слишком много, иначе наша Вселенная была бы совершенно другой. Однако современные ученые пока не располагают конкретными данными о количестве и массе черных дыр даже в нашей Галактике, не говоря уже о всей Вселенной.

Темные карлики – это не сказочные тролли, а плотные сгустки обычной материи, в основном водорода, с массой, значительно меньшей солнечной. Их собственные гравитационные поля позволяют им существовать, не распадаясь. Однако эти поля слишком слабы, чтобы создать высокое давление и инициировать термоядерные реакции. Свет от звезд – это не что иное, как фотоны, испускаемые сильно нагретым газом. Тепло для нагрева поступает от ядерных реакций, поэтому светимость темных карликов слишком мала, и они могут легко ускользать от внимания астрономов.

Если говорить о нейтронных звездах, то в данном случае интересны старые их представители, которые практически не излучают энергию. Это как раз тот случай, когда молодые не требуются. Другое дело, откуда они могли в таком количестве взяться и когда успели состариться?

Если MACHOs практически не светятся, то можно ли их обнаружить вообще? Современные научные методы и техника позволяют это сделать. Так, с введением в строй телескопа Hubble, наблюдающего мир не только в видимых, но и в инфракрасных лучах, астрономам удалось обнаружить много темных карликов как в нашей, так и в соседних галактиках. Но их оказалось всего 6% от общей массы галактического гало! Может быть, дальнейшие исследования увеличат эту цифру.

Искажения картины звездного неба, вызванные действием скрытой массы, проанализировали Дэвид Уитмен, Энтони Тайсон и Дэвид Керкман (Лаборатории Белл), Ян Дельантонио (Национальная обсерватория оптической астрономии и Университет Брауна) и Чэри Бернстейн (Мичиганский университет). Они использовали 4-метровый телескоп Blanco (Чили) и цифровую обработку изображений. Одним из препятствий в работе было то, что изображение галактики изменяется не только из-за влияния скрытой массы, но и при прохождении через атмосферу Земли. Да и сами оптические приборы вносят небольшие искажения. Но ученые нашли выход. Изображения от ближайших звезд изменяются атмосферой и приборами точно так же, как и далекие галактики, а вот влиянию удаленной скрытой массы они не подвержены. На основе нескольких тысяч совместных измерений близких звезд и далеких галактик ученые научились отделять «зерна от плевел» и получили желаемый результат. Были проанализированы изображения 145 000 очень далеких галактик для того, чтобы найти эффекты искажения, создаваемые скрытой массой.

На основе этих данных было восстановлено расположение скрытой массы на больших межгалактических масштабах.

Существует и другой способ обнаружения MACHOs, опять же связанный с их гравитационным полем. Если астроном обнаруживает, что некоторая звезда вращается вокруг «чего-то невидимого», то совершенно ясно, что обнаружен MACHOs. Именно он создает гравитационное поле, в котором и движется его более яркая соседка – звезда. Кроме того, определив радиус орбиты и скорость вращения (например, при помощи того же доплеровского эффекта), можно найти массу данного объекта.

Другой путь объяснения недостающей массы выбрали физики, изучающие элементарные частицы. Они предположили, что галактическое пространство заполнено частицами особого вида. Их общее количество как раз и образует ту самую скрытую массу. WIMPs предположительно возникли, когда наша Вселенная была еще очень молодой и горячей.

Почему же мы их не видим и почему эти частицы не собираются в плотные объекты типа темных карликов? Приходится предположить, что частицы эти практически не взаимодействуют с другими, обычными частицами, и в частности не излучают фотонов. Только гравитация указывает на их существование. Эти необычные свойства создают большие трудности в доказательстве существования WIMPs.